东北石油大学步进电机的PLC控制课程设计

东北石油大学课程设计课程PLC控制系统课程设计题目步进电机的PLC控制院系电气信息工程学院自动化系专业班级自动化11-班学生姓名学生学号1106011401指导教师2014年11月28日东北石油大学课程设计任务书课程PLC控制系统课程设计题目步进电机的PLC控制专业自动化姓名学号1106011401主要内容：1. 设计出硬件系统的结构图、接线图、时序图等；2. 系统有启动、停止功能；3. 运用功能指令进行PLC控制程序设计，并有主程序、子程序和中断程序；4. 用组态王监控组态软件，设计出上位监控系统；5. 程序结构与控制功能自行创新设计；6. 进行系统调试，实现步进电机的控制要求。

基本要求：1.在步进电机为二相混合式，供电电压24VDC，功率30 W，电流1.7A（或1.2A），转矩0.35NM，步矩角1.8°/0.9°，并配有细分驱动器，实现细分运行，减少振荡；2.控制器为S7-200PLC，设计出PLC的控制程序，实现速度、方向、定位、细分等控制功能。

主要参考资料：[1] 张凤珊．可编程序控制器[M]．北京: 中国轻工业出版社，2003．[2] 齐占庆．电气控制技术[M]．北京: 机械工业出版社，2002．[3] 张万忠．可编程控制器应用技术[M]．北京: 化学工业出版社，2001．[4] 李道霖．PLC原理及应用[M]．北京: 电子工业出版社，2004．[5] 郁汉琪．可编程序控制器应用技术[M]．南京: 东南大学出版社，2003．完成期限2014.11.24~2014.11.28指导教师专业负责人2014年11 月24 日目录第一章控制工艺流程分析 (1)1.1 步进电机PLC控制的控制过程描述 (1)1.2 步进电机PLC控制的控制工艺分析 (1)第二章控制系统总体方案设计 (3)2.1 系统硬件组成 (3)2.2 控制方法分析 (4)2.3 I/O分配 (5)2.4 系统接线图设计 (6)第三章控制系统梯形图程序设计 (8)3.1 控制程序流程图设计 (8)3.2 控制程序时序图设计 (8)3.3 控制程序设计思路 (9)第四章监控系统设计 (10)4.1 PLC与上位监控软件通讯 (10)4.2 上位监控系统组态设计 (10)4.3 实现的效果 (11)第五章系统调试及结果分析 (12)5.1系统调试及解决的问题 (12)5.2 结果分析 (12)课程设计心得 (14)参考文献 (15)附录 (16)第一章控制工艺流程分析1.1 步进电机PLC控制的控制过程描述步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。

可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。

该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。

当定子的矢量磁场旋转一个角度。

转子也随着该磁场转一个角度。

每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。

它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。

改变绕组通电的顺序，电机就会反转。

所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。

步进电机驱动器，它是把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移，或者说：控制系统每发一个脉冲信号，通过驱动器就使步进电机旋转一个步距角。

也就是说步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。

所以控制步进脉冲信号的频率，就可以对电机精确调速；控制步进脉冲的个数，就可以对电机精确定位。

步进电机驱动器有很多，应以实际的功率要求合理的选择驱动器。

步进电机需要提供具有一定驱动能力的脉冲信号才能正常工作，脉冲信号由单片机输出的激励信号经过脉冲分配产生。

脉冲分配可以通过硬件模拟分配电路实现，也可以利用软件方便地实现。

一个完整的驱动电路不仅需要激励信号，还需有足够的功率。

在一般的电路驱动中，需将由CPU产生的脉冲信号经过功率放大后，再接到步进电机输入端。

随着大规模集成电路技术的发展，逐渐出现了很多专门用于步进电机控制的脉冲分配芯片，它们配合功率放大的驱动电路可以实现步进电机的驱动。

1.2 步进电机PLC控制的控制工艺分析可编程序控制器简称PLC，是在继电器控制和计算机控制的基础上开发出来的，并逐渐发展成以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。

它具有可靠性高、环境适应性好、编程简单、使用方便以及体积小、重量轻、功耗低等优点，因此迅速普及并成为当代工业自动化的支柱设备之一。

PLC所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离；各输入端均采用RC滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms；各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰；采用性能优良的开关电源：具有良好的自诊断功能．一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大；简化编程语言，对信息进行保护和恢复．设置警戒时钟WDT；对程序和动态数据进行电池后备。

上述措施使PLC有高的可靠性。

而采用循环扫描工作方式也提高其抗干扰能力。

PLC在工业自动化领域起着举足轻重的作用。

在国内外已广泛应用于机械、冶金、石油、化工、轻工、纺织、电力、电子、食品、交通等行业。

实践证明80％以上的工业控制可以使用PLC来完成。

PLC可用于逻辑顺序控制、过程控制、运动及位置控制、数据处理、通信联网等。

使用PLC可实现步进电机的控制。

可使步进电机动作的抗干扰能力强、可靠性高。

时至今日，软件以及电子设备等相关技术都有了长足发展。

虽然软件的发展速度比不上硬件的发展速度那么迅速，但已能满足现在的工业需求。

对步进电机的传统控制通常完全由硬件电路搭接而成。

随着PLC的普及，现在已普遍采用硬件与软件相结合的方式对其进行控制，这种控制方法有很多优点，比如：可以实现高精度的控制，降低成本，降低控制难度，简化控制电路等。

今后步进电机的总体发展趋势是向着低功耗、高频率精度、多功能、高度自动化和智能化的方向发展。

PLC作为简单化了的计算机，功能完备、灵活、通用、控制系统简单易懂，价格便宜，可现场修改程序，体积小、硬件维护方便，价格便宜等优点，在全世界广泛应用，为生产生活带来巨大效益方便。

因此，通过研究用PLC来控制步进电动机的，既可实现精确定位控制，又能降低控制成本，还有利于维护。

以往的步进电动机需要靠驱动器来控制，随着技术的不断发展完善，PLC具有了通过自身输出脉冲直接步进电动机的功能，这样就有利于步进电动机的精确控制。

PLC对步进电机的控制主要包括三个方面，即步进电机的转速控制、方向控制、步数控制。

改变步进电机定子绕组的通电顺序，就改变步进电机的旋转方向，改变脉冲频率，就改变步进电机的转速，改变脉冲个数。

步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线位移或角位移的执行元件。

步进电机的输出位移量与输入脉冲个数成正比，其转速与单位时间内输入的脉冲数(即脉冲频率)成正比，其转向与脉冲分配到步进电机的各相绕组的相序有关。

所以只要控制指令脉冲的数量、频率及电机绕组通电的相序。

便可控制步进电机的输出位移量、速度和转向。

步进电机具有较好的控制性能，其启动、停车、反转及其它任何运行方式的改变，都在少数脉冲内完成，且可获得较高的控制精度，因而得到了广泛的应用。

步进电机控制的最大特点是开环控制，不需要反馈信号。

因为步进电机的运动不产生旋转量的误差累积。

本系统PLC选用S7-200PLC。

第二章控制系统总体方案设计2.1 系统硬件组成可编程控制器有两种基本的工作状态，即运行（RUN）状态与停止（STOP）状态。

在运行状态中，可编程控制器通过执行反应控制来实现用户的控制要求。

为了使可编程控制器的输出及时地响应随时可能变化的输入信号，用户程序不仅仅执行一次，而是反复不断地重复执行，直到可编程控制器停机或切换到STOP工作状态。

下面用一个简单的例子来进一步说明可编程序控制器的扫描工作过程。

图2-1所示的PLC的输入输出接线图，起动按钮SB1和停止按钮SB2的常开触点分加别接在编号为X000和X001的可编程控制器的输入端，接触器KM的线圈接在编号为YO00的可编程控制器的输出端。

图(b)是这3个输入/输出变量对应的I/O映像寄存器。

图（c）是可编程控制器的梯形图，它与图2-1所示的继电器电路的功能相同。

但是应注意，梯形图是一种程序，是可编程控制图形化的程序。

图中的X000等是梯形图中的编程元件，XO00与X001是输入继电器，Y000是输出继电器。

编程元件X000与接在输入端子XO00的SB1的常开触点和输入映像寄存器XO00相对应，编程元件Y000与输出映像寄存器Y000和接在输出端子Y000的可编程控制器内部的输出电路相对应。

PLC控制系统的硬件结构图如图2-2所示。

(a) (b) (c) (d)图2-1 PLC的外部接线图与梯形图图2-2 PLC控制系统的硬件结构图梯形图以指令的形成储存在可编程控制器的用户程序存储器中，梯形图与下面的4条指令对应“；”之后是该指令的注解。

LD X000 ；接在左侧母线上的X000的常开触点。

OR Y000 ；与X00O的常开触点并联的Y000的常开触点。

ANI X001 ；与并联电路串联的X001的常闭触点。

OUT Y000 ；Y000的线圈。

在输入处理阶段，CPU将SB1，SB2的常开触点的状态读入相应的输入映像寄存器，外部触点接通时存入寄存器的是二进制数“1”，反之存入“0”。

执行第一条指令时，从输入映像寄存器X000中取出二进制数并存入运算结果寄存器。

执行第二条指令时，从输出映像寄存器Y000中取出二进制数，并与运算结果寄存器中的二进制数相“或”（触点的并联对应“或”结算），然后存入运算结果寄存器。

执行第三条指令时，取出输入映像寄存器X001中的二进制数，因为是常闭触点，取反后与前面的运算结果相“与”（电路的串联对应“与”运算），然后存入运算结果寄存器。

在输出处理阶段，CPU将各输出映像寄存器中的二进制数传送给输出模块并锁存起来，如果输出映像寄存器Y000中存放的是二进制数“1”，外接的KM线圈将通电，反之将断电。

X000，X001和Y000的波形高电平表示按下按钮或KM线圈通电,当T<T1时,读入输入映像寄存器X000和X001的均为二进制数“0”此时输出映像寄存器Y000中存入的亦为“0”在程序执行阶段,经过上述逻辑运算过程之后,运算结果仍为Y000=0,所以KM的线圈处于断电状态.在T<T1区间,虽然输入/输出信号的状态没有变化,用户程序确在一直反复不断地执行着。